Генерация гармоник и преобразование частоты

Нелинейности второго порядка позволяют кристаллам удваивать или смешивать оптические частоты, преобразуя лазерный свет в новые длины волн посредством фазово-согласованных процессов.

Definition

Нелинейные оптические процессы, опосредованные восприимчивостью второго порядка, в которых две оптические волны объединяются для создания волны на суммарной, разностной или удвоенной частоте, требующие фазового согласования для эффективного когерентного преобразования.

Scope

Эта тема охватывает нелинейные процессы второго порядка, которые генерируют свет на новых частотах. Она включает генерацию второй гармоники, генерацию суммарной и разностной частоты, оптическое параметрическое усиление и осцилляцию, а также важнейшее условие фазового согласования, достигаемое посредством двулучепреломления или квазифазового согласования в периодически поляризованных кристаллах, которое позволяет когерентно расти преобразованной волне. Она также затрагивает высшие гармоники. Объясняется, как лазеры смещаются по длине волны и как создаются перестраиваемые источники и источники запутанных фотонов.

Core questions

• Как кристалл удваивает частоту лазерного света?
• Что такое фазовое согласование и почему оно необходимо?
• Как связаны генерация суммарной и разностной частоты и параметрическое усиление?
• Как периодическая поляризация обеспечивает квазифазовое согласование?

Key concepts

• генерация второй гармоники
• генерация суммарной частоты
• генерация разностной частоты
• оптическая параметрическая осцилляция
• фазовое согласование
• квазифазовое согласование
• периодически поляризованные кристаллы
• удвоение частоты

Key theories

Генерация второй гармоники и трехволновое смешение

Через восприимчивость второго порядка два фотона объединяются в один на суммарной частоте, или один расщепляется на два; генерация второй гармоники является частным случаем удвоения частоты, а процессы генерации разностной частоты и параметрические процессы генерируют перестраиваемый выход.

Фазовое согласование

Эффективное преобразование требует, чтобы взаимодействующие волны оставались в фазе по мере их распространения; это достигается за счет использования двулучепреломления для выравнивания фазовых скоростей или путем периодического изменения нелинейности для достижения квазифазового согласования.

Clinical relevance

Удвоение частоты производит зеленый свет неодимовых хирургических и офтальмологических лазеров из инфракрасного излучения, а генерация второй гармоники в тканях обеспечивает бесконтрастное изображение при нелинейной микроскопии коллагена и других упорядоченных структур.

History

Франкен и его коллеги впервые наблюдали оптическую вторую гармонику в 1961 году, сфокусировав рубиновый лазер на кварце. Армстронг, Бломберген и сотрудники вскоре разработали теорию фазового согласования и нелинейных взаимодействий, а квазифазовое согласование в периодически поляризованных кристаллах позднее сделало эффективное преобразование широко применимым.

Key figures

• Peter Franken
• Nicolaas Bloembergen
• John Armstrong

Seminal works

• boyd2020
• franken1961

Frequently asked questions

Как зеленый лазерный указатель может быть получен из инфракрасного лазера?

Многие зеленые лазеры используют нелинейный кристалл для удвоения частоты невидимого инфракрасного излучения неодимового лазера, уменьшая длину волны вдвое для получения видимого зеленого света.

Почему необходимо фазовое согласование?

Поскольку основная и преобразованная волны обычно распространяются с разными скоростями в дисперсионной среде, они выходят из фазы, и преобразование самокомпенсируется; фазовое согласование поддерживает их синхронизацию, так что преобразованная волна нарастает вдоль кристалла.